Ученые СО РАН исследуют капельный кластер
Так называется недавно открытое состояние водного аэрозоля, в котором капли воды, взаимодействуя друг с другом, принимают упорядоченное положение в пространстве, но при этом не соприкасаются. Это придает веществу новые физические свойства, например, некоторую механическую прочность, повышенную вязкость. Исследования капельного кластера помогут лучше понять процессы, происходящие в атмосфере Земли, и уточнить существующие климатические модели.
Явление капельного кластера было открыто учеными Тюменского государственного университета при изучении термокапиллярного течения в жидкостях. Капельный кластер спонтанно возникал над подогретой поверхностью воды. Он представлял собой однослойную структуру, в которой капли воды располагались в узлах гексагональной (шестиугольной) решетки.
Капельные структуры спонтанно возникают в слаботурбулентном аэрозоле благодаря электрическому взаимодействию между заряженными каплями воды. А заряд последних обусловлен непрерывно протекающими на их поверхности процессами испарения/конденсации воды.
Сотрудники Института криосферы Земли СО РАН (г. Тюмень) предположили, что упорядоченные капельные структуры могут существовать не только в лабораторных условиях, но и в атмосферных аэрозолях, облаках и туманах, влияя на их механические и теплофизические характеристики и, в результате, на погоду и климат.
- В настоящий момент мы тщательно изучили геометрические характеристики кластеров, - рассказывает старший научный сотрудник ИКЗ СО РАН доктор физико-математических наук Анатолий Васильевич Шавлов, - измерили электрический заряд капель воды, установили характер межкапельного взаимодействия, оценили сдвиговую вязкость и поверхностное натяжение кластера. Мы также исследовали структуру свободного (3d) тумана, и в нем обнаружили признаки пространственного упорядочения капель воды. Носителями такой структуры оказались капельные цепочки с фиксированным межкапельным расстоянием внутри них. Сейчас мы исследуем закономерности их образования и влияние на теплофизические свойства тумана.
Важным свойством капельного кластера является его повышенная вязкость по сравнению с этим же параметром воздуха (она может превышать последнюю в десятки раз). Увеличение вязкости, по словам А. В. Шавлова, повышает конвективную устойчивость среды, что влияет на скорость конвективного переноса тепла и массы.
Простейшим примером конвекции может служить кастрюля с водой, нагреваемая на плите: нижний слой нагревается, становится более легким и поднимается вверх, за счет этого вода перемешивается. Такие же процессы, только в более сложном и зависимом от многих факторов исполнении, мы можем наблюдать в атмосфере Земли.
Возвращаясь к теме, в современных моделях климата, в частности, модели пограничных планетарных слоев атмосферы, не учитывается возможность образования упорядоченных капельных структур, а, следовательно, и изменение скорости переноса массы и тепла. Проводимое учеными ИКЗ СО РАН исследование поможет повысить точность математического описания и прогнозирования климата и погоды.
Источник: